“親愛的觀眾們 ， 萬(wàn)米的海底妙不可言 ， 希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬(wàn)米的海底 。 ”
2020年11月10日8時(shí)12分 ， “奮斗者”號(hào)成功坐底世界最深處馬里亞納海溝 ， 3位潛航員第一時(shí)間通過水聲通信系統(tǒng)向全國(guó)觀眾直播了他們所看到的萬(wàn)米海底世界 。
相較于“蛟龍”號(hào)與“深海勇士”號(hào)載人潛水器 ， “奮斗者”號(hào)的聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)產(chǎn)化 ， 突破全海深難關(guān) 。
【坐底馬里亞納海溝！“奮斗者”號(hào)萬(wàn)米通信靠喊嗎？】借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶設(shè)備 ， 潛航員僅用半小時(shí)便成功取回布放在萬(wàn)米海底的3個(gè)水下取樣器 ， 實(shí)現(xiàn)了“海底撈針” 。
“突破萬(wàn)米不僅僅是4位數(shù)到5位數(shù)的突破 ， 而且證明我們有能力挑戰(zhàn)深淵 ， 中國(guó)具備對(duì)全球最深的海洋進(jìn)行探索和科考的能力 。 ”
中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所高級(jí)工程師、“奮斗者”號(hào)聲學(xué)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉燁瑤說(shuō) 。
水聲通信厲害在哪兒
2020年10月27日五點(diǎn)半 ， 西太平洋上日出不久 ， “探索一號(hào)”上的船員和科研人員已開始了例行的檢查、布防等工作 。
按照計(jì)劃 ， “奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器將第一次下潛至馬里亞納海溝萬(wàn)米深處進(jìn)行科考取樣 ， 大家期盼已久 。
經(jīng)過4年的研制以及千百次的湖試、海試 ， 劉燁瑤對(duì)“奮斗者”號(hào)充滿信心 。
“我們團(tuán)隊(duì)一路從‘蛟龍’號(hào)和‘深海勇士’號(hào)走過來(lái) ， 積累了豐富的下潛經(jīng)驗(yàn) ， 對(duì)設(shè)備性能也非常熟悉 ， 下潛即將突破萬(wàn)米 ， 心情有些激動(dòng)但并不緊張 。 ”
經(jīng)過三四個(gè)小時(shí)的下潛 ， “奮斗者”號(hào)終于來(lái)到了-10124米處 ， 水聲通信是它與母船“探索一號(hào)”之間溝通的唯一橋梁 ， 借此潛航員可將潛水器運(yùn)行狀態(tài)、海底礦石生物情況等通過文字、語(yǔ)音或圖像實(shí)時(shí)傳輸至水面 。
劉燁瑤的首要任務(wù)便是保證聲學(xué)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行 ， 同時(shí)盡可能多地觀察采樣 。
從水下4500米、7000米到10000多米 ， 距離更長(zhǎng) ， 對(duì)通信水平的要求自然更高 。
“就像距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)人說(shuō)話 ， 想要聽清楚 ， 首先講話人要提高音量 ， 同時(shí)聽者也要豎起耳朵或用手幫助收音 ， 這分別對(duì)應(yīng)著信源級(jí)和信號(hào)處理 ， 我們通過波束形成、波束跟蹤等方法 ， 保證通信質(zhì)量 。 ”中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員郭衛(wèi)振說(shuō) 。
除通信外 ， 水下定位也要靠聲學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 。
由于海水對(duì)電磁波的衰減作用 ， 通常使用的北斗、GPS等導(dǎo)航定位系統(tǒng)在水下統(tǒng)統(tǒng)失效 。
在“奮斗者”號(hào)中 ， 研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地采用了由聲學(xué)多普勒測(cè)速儀、超短基線定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航等多種設(shè)備集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng) 。
郭衛(wèi)振介紹 ， 聲學(xué)多普勒測(cè)速儀可以測(cè)量潛水器在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度；超短基線定位系統(tǒng)利用聲波的時(shí)延差、相位差等信息來(lái)為潛水器導(dǎo)航和測(cè)距；慣性導(dǎo)航通過測(cè)量潛水器在慣性參考系的加速度 ， 結(jié)合時(shí)間信息 ， 得到導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息 。
“這3種設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn) ， 并存在不同程度的誤差 ， 我們將三者組合起來(lái) ， 使其相互校準(zhǔn) 。 ”他說(shuō) 。
幾百個(gè)日夜的堅(jiān)守
2020年3月初 ， 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所“奮斗者”號(hào)研制團(tuán)隊(duì)召開緊急會(huì)議 ， 6名研究人員先后被派往無(wú)錫進(jìn)行水試 。
“初期工作效率很低 ， 因疫情隔離無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng) ， 只能根據(jù)每天的進(jìn)展日?qǐng)?bào)推測(cè)、排查設(shè)備問題 。 ”中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所工程師廖佳偉說(shuō) 。
一次 ， 潛水器上用于感知環(huán)境障礙的高度計(jì)突然死機(jī) ， 他們將能想到的問題都列了出來(lái) ， 芯片過熱、設(shè)備本身故障、線路中斷、漏水等 ， 挨個(gè)排查 。
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